物联网体系结构及关键技术研究

编号：____________编号：____________审定成绩：____________毕业设计（论文）设计（论文）题目:物联网体系结构及关键技术研究单位（系别）：电子信息工程系学生姓名：______________________专业：应用电子技术____班级：______________________学号：______________________指导教师：______________________答辩组负责人：______________________填表时间：20年月重庆邮电大学移通学院教务处制摘要过去10年间，互联网技术和应用取得巨大的突破，近些年随着全球信息技术革命的深入和3G网络的建设，“物联网”技术受到了广泛的关注，更是引起了国内学术界、工业界和新闻媒体的高度重视。“物联网”被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。美国权威咨询机构FORRESTER预测：到2020年，世界上物物互联的业务，跟人与人通信的业务相比，将达到30比１，因此，“物联网”被称为是下一个万亿级的通信业务。当前“物联网”的定义、国内在原理、体系结构和系统模型等方面还存在许多值得探讨的问题，但从“物联网”本质上看，“物联网”是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升，将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用，使人与物智慧对话，创造一个智慧的世界。通过对现有“物联网”技术文献和应用实例的分析，来探讨“物联网”体系机构和关键技术的研究进行了阐述;分析实现物联网的五大核心技术,包括传感器、信息汇聚、通信、运营和应用技术。本文介绍了物联网的相关概念、原理以及物联网的核心技术，最后,展望了“物联网”技术的前景以及对人类生活、工业发展、科技进步的促进作用。【关键词】物联网传感技术射频识别技术RFID技术互联网ABSTRACTInthepast10years,thetechnologyandapplicationoftheInternethavebeengotgreatachievements.TheInternetofthingsispaidwidelyattentionwiththeglobalinformationtechnologyrevolutionandtheconstructionof3Ginrecentyears.AndDomesticscholars,Industry,andNewsmediaattachgreatimportancetoit.TheInternetofthingsisnamedthethirdrevolutionintheworldinformationindustryfollowingcomputerrevolutionandinternetrevolution.AmericanForrestersaid,Bytheyear2020,thenumberofthebusinessofthethingscontentcomparedwithpeopleofbusinesscommunicationwillreach30to1.Thereforeitwillhavehundredsofthousandsofcommunicationsbusiness.Atpresentthedefinition,inherentprinciple,constructionandsystemofitisworthtodiscussion.TheessenceofTheInternetofthingsisthatmoderninformationtechnologydevelopmenttoacertainextentemergenceofanapplicationandtechnologypromotionjailingriver,willallkindsofperceptiontechnology,modernnetworktechnologyandartificialintelligenceandautomationtechnologypolymerizationandintegratedapplication,makepeopleandthingswisdomdialogue,creatingaworldofwisdom.Istudythecontractureandthekeytechnologyofitthroughthearticlesabouttheinternetofthing.AndthepaperanalyzesfivebasicelementssuchasSensorandgatheringcommunicationandoperationandapplicationtechnology.Thepaperexpoundsthedefinition,theoryandthekeytechnologyoftheinternetofthings.Intheend,Ianalyzeitsfunctioninourdailylife,industryandscience.【Keywords】TheinternetofthingThetechnologyofsensorRadioFrequencyIdentificationRFIDInternet前言物联网是由各种现代科技设备组成的一个巨大网络。1995年比尔盖茨在《未来之路》一书中提到物联网，到今天已经发展了17年。随着计算机、互联网等各种硬件和软件的高速发展，利用传感、射频识别、RFID等技术，实现了一个物理空间与数字空间的无缝连接。这个概念的产生是1999年在美国召开的移动计算机和网络国际会议由MITAuto-ID中心的Ashton教授在研究RFID时最早提出来的。科技在发展，人类的需求也不断增加，需要一种智能、信息全面的“智慧地球”。物联网也随之融入人们的生活当中并且不断完善，例如SIM卡发展，它的容量是不是应该从K到G呢？对于物联网的应用和发展前景分析，在本文都会得到详细和比较完整的介绍。由此可见，物联网正处于飞速发展的阶段。因此加强技术攻关，更加完善物联网各个关键技术的及时更新，才能体现物联网对人们的需求。预计物联网是继计算机、互联网和移动通信网之后的又一次信息浪潮。有专家预测在未来10年内，物联网就可能大规模的普及进入人们的生活，这一项科技将会发展为上千万亿元规模的高科技市场。物联网系统概述物联网的发展历史及趋势一、物联网的历史1999年MITAuto-IDCenter提出物联网概念，即把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。2004年日本总务省提出u-Japan构想中，希望在2010年将日本建设成一个“Anytime，Anywhere，Anything，Anyone”都可以上网的环境。同年，韩国政府制定了u-Korea战略，韩国信通部发布的《数字时代的人本主义：IT839战略》以具体呼应u-Korea。2005年11月在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上，国际电信联盟(ITU)发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。射频识别技术(RFID)、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将到更加广泛的应用。

2008年11月IBM提出“智慧的地球”概念，即“互联网+物联网=智慧地球”，以此做为经济振兴战略。如果在基础建设的执行中，植入“智慧”的理念，不仅仅能够在短期内有力的刺激经济、促进就业，而且能够在短时间内为中国打造一个成熟的智慧基础设施平台。2009年6月欧盟委员会提出针对物联网行动方案，方案明确表示在技术层面将给予大量资金支持，在政府管理层面将提出与现有法规相适应的网络监管方案2009年8月温家宝总理在无锡考察传感网产业发展时明确指示要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术，并且明确要求尽快建立中国的传感信息中心，或者叫“感知中国”中心。目前：经国家标准化管理委员会批准，全国信息技术标准化技术委员会组建了传感器网络标准工作组，标准工作组现聚集了中国科学院、中国移动通信集团公司等国内传感网主要的技术研究和应用单位。二、物联网的发展趋势全球通信网络在经历了几十年快速发展之后，已经可以基本满足人与人随时随地沟通的需要，而物与物、物与人的通信及上层应用这种物联网的基本发展需求正涌现出来。随着物联网技术应用与产业发展的逐步深入，中国的物联网发展既具备了一些国际物联网发展的共性特征，也呈现出一些鲜明的中国特色和阶段特点。一方面，以全国物联网领域的管理者、经营者、学者和其他相关人士提供政策研讨、形势分析、成就展示、学术争鸣、成果交流以及相互合作的平台，将继续为我国物联网产业化发展和应用管理提供咨询和决策依据。另一方面，当前我国物联网产业的主要客户仍是政府及事业单位，还没有演变成市场普遍消费模式。随着，地方政府、中国物联网(RFID、传感网、智能通讯)产业各大联盟和国内外企业、机构的鼎力支助，关于民众的应用示范将会逐步扩大。根据《2010～2011年中国物联网发展年度报告》，2012年中国物联网将在以下几个方面有所进步。一是物联网将会出现一系列的标准竞争。在今年，一些地方宣布建设智慧城市的标准，各有各得标准，物联网涵盖范围极广，在制定标准时，各个参与方对标准的制定都有自己的想法，试图让参与方自己的想法能够主导上层标准的制定，并占取主动地位。2012年将会出现一些所谓的标准。二是物联产业向西部扩展，目前我国物流网产业集群已初步形成环渤海、长三角、珠三角以及中西部地区等四大区域集聚发展的总体产业空间格局。2011下半年开始国内西部的陕西、兰州、四川、重庆也开始将物联网产业作为优先发展领域。2012年将会有更多的西部城市开始加入物联网之中。三是民众的应用进一步扩大。当前我国物联网产业的主要客户仍是政府及事业单位，还没有演变成市场普遍消费模式。随着，地方政府、中国物联网(RFID、传感网、智能通讯)产业各大联盟和国内外企业、机构的鼎力支助，关于民众的应用示范将会逐步扩大。四是多层面的政策投入成为推动现阶段中国物联网产业发展的最强动力。“智慧城市”建设是中国城市化推进到一定水平的必然产物，对目前刚刚起步的物联网产业发展意义重大。国家倡导发展物联网产业，借以实现经济转型和工业化与信息化的融合，各地政府纷纷响应，高度重视物联网产业。中国已有28个省市将物联网作为新兴产业发展重点之一，不少一二线城市在建设或筹建物联网产业园。可以预见，2012年，物联网是国家及地方各级政府推进信息化工作的重点，政策支持力度继续加大。五是物联网产业链逐步形成，物联网应用领域逐渐明朗。经过业界的共同努力，国内物联网产业链和产业体系逐渐形成，产业规模快速增长。安防、交通和医疗三大领域，有望在物联网发展中率先受益，成为物联网产业市场容量大、增长最为显著的领域。根据“十二五”规划，2012年我国物联网产业将在智能工业、智能农业、智能物流、智能交通、智能电网、智能环保、智能安防、智能家居等重点领域积极开展应用示范。物联网系统简介物联网定义物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。它具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化3个重要特征。物联网(InternetofThings)指的是将无处不在（Ubiquitous）的末端设备（Devices）和设施（Facilities），包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、工业系统、楼控系统、家庭智能设施、视频监控系统等和“外在使能”(Enabled)的，如贴上RFID的各种资产（Assets）、携带无线终端的个人与车辆等“智能化物件或动物”或“智能尘埃”（Mote），通过各种无线/有线的长距离/短距离通讯网络实现互联互通（M2M)、应用大集成（GrandIntegration)、以及基于云计算的SaaS营运等模式，提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持、领导桌面（集中展示的CockpitDashboard)等管理和服务功能，实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化。总之物联网就是把所有的物品通过射频等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。物联网系统的组成虽然物联网的定义目前没有统一的说法，但物联网的技术体系结构基本得到统一认识，分为感知层、网络层、应用层三个大层次。如下图所示：【具体应用】智能家居智能交通智能电网智能物流智能医疗智能农业工业监控城市管理环境检测……【数据分析处理】云计算、数据挖掘……应用层【广域网通讯】PSTN、2G/3G移动网络、互联网、广电网络、专网……网络层【短距离无线网络】红外、蓝牙、WiFi、Zigbee、其他无线……【数据采集、执行控制】各类传感器、RFID、条码、摄像头……动作执行部件感知网=1\*GB3①应用层应用层完成物品信息的汇总、协同、共享、互通、分析、决策等功能，相当于物联网的控制层、决策层。物联网的根本还是为人服务，应用层完成物品与人的最终交互，前面两层将物品的信息大范围地收集起来，汇总在应用层进行统一分析、决策，用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之问的信息协同、共享、互通，提高信息的综合利用度，最大程度地为人类服务。其具体的应用服务又回归到前面提到的各个行业应用，如智能交通、智能医疗、智能家居、智能物流、智能电力等。=2\*GB3②网络层网络层完成大范围的信息沟通，主要借助于已有的广域网通信系统(如PSTN网络、2G/3G移动网络、互联网等)，把感知层感知到的信息快速、可靠、安全地传送到地球的各个地方，使物品能够进行远距离、大范围的通信，以实现在地球范围内的通信。这相当于人借助火车、飞机等公众交通系统在地球范围内的交流。当然，现有的公众网络是针对人的应用而设计的，当物联网大规模发展之后，能否完全满足物联网数据通信的要求还有待验证。即便如此，在物联网的初期，借助已有公众网络进行广域网通信也是必然的选择，如同上世纪90年代中期在ADSL与小区宽带发展起来之前，用电话线进行拨号上网一样，它也发挥了巨大的作用，完成了其应有的阶段性历史任务。=2\*GB3②感知层感知层是让物品说话的先决条件，主要用于采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、身份标识、位置信息、音频、视频数据等。物联网的数据采集涉及传感器、RFID、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术。感知层又分为数据采集与执行、短距离无线通信2个部分。数据采集与执行主要是运用智能传感器技术、身份识别以及其他信息采集技术，对物品进行基础信息采集，同时接收上层网络送来的控制信息，完成相应执行动作。这相当于给物品赋予了嘴巴、耳朵和手，既能向网络表达自己的各种信息，又能接收网络的控制命令，完成相应动作。短距离无线通信能完成小范围内的多个物品的信息集中与互通功能，相当于物品的脚。物联网关键技术第一节实现物联网的五大核心技术从物联网的定义及各类技术所起的作用来看，物联网的关键核心技术应该是无线传感器网络（WSN）技术，主要原因是：WSN技术贯穿物联网的全部三个层次，是其它层面技术的整合应用，对物联网的发展有提纲挈领的作用。WSN技术的发展，能为其它层面的技术提供更明确的方向。以下是实现物联网的五大核心技术：核心技术之感知层：传感器技术、射频识别技术、二维码技术、微机电系统和GPS技术=1\*GB3①.传感器技术传感技术同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大技术。从仿生学观点，如果把计算机看成处理和识别信息的“大脑”，把通信系统看成传递信息的“神经系统”的话，那么传感器就是“感觉器官”。微型无线传感技术以及以此组件的传感网是物联网感知层的重要技术手段。=2\*GB3②.射频识别（RFID）技术射频识别（RadioFrequencyIdentification，简称RFID）是通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据的无线通讯技术。在国内，RFID已经在身份证、电子收费系统和物流管理等领域有了广泛应用。RFID技术市场应用成熟，标签成本低廉，但RFID一般不具备数据采集功能，多用来进行物品的甄别和属性的存储，且在金属和液体环境下应用受限，RFID技术属于物联网的信息采集层技术。=3\*GB3③.微机电系统（MEMS）微机电系统是指利用大规模集成电路制造工艺，经过微米级加工，得到的集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。MEMS技术属于物联网的信息采集层技术。=4\*GB3④.GPS技术GPS技术又称为全球定位系统，是具有海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。GPS作为移动感知技术，是物联网延伸到移动物体采集移动物体信息的重要技术，更是物流智能化、智能交通的重要技术。核心技术之信息汇聚层：传感网自组网技术、局域网技术及广域网技术=1\*GB3①.无线传感器网络（WSN）技术无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，简称WSN）的基本功能是将一系列空间分散的传感器单元通过自组织的无线网络进行连接，从而将各自采集的数据通过无线网络进行传输汇总，以实现对空间分散范围内的物理或环境状况的协作监控，并根据这些信息进行相应的分析和处理。WSN技术贯穿物联网的三个层面，是结合了计算、通信、传感器三项技术的一门新兴技术，具有较大范围、低成本、高密度、灵活布设、实时采集、全天候工作的优势，且对物联网其他产业具有显著带动作用。=2\*GB3②.Wi-FiWi-Fi（WirelessFidelity，无线保真技术）是一种基于接入点（AccessPoint）的无线网络结构，目前已有一定规模的布设，在部分应用中与传感器相结合。Wi-Fi技术属于物联网的信息汇总层技术。=3\*GB3③.GPRSGPRS（GeneralPacketRadioService，通用分组无线服务）是一种基于GSM移动通信网络的数据服务技术。GPRS技术可以充分利用现有GSM网络，目前在很多领域有广泛应用，在物联网领域也有部分应用。GPRS技术属于物联网的信息汇总层技术。

核心技术之传输层：通信网、互联网、3G网络、GPRS网络、广电网络、NGB=1\*GB3①.通信网通信网是一种使用交换设备、传输设备，将地理上分散用户终端设备互连起来实现通信和信息交换的系统。通信最基本的形式是在点与点之间建立通信系统，但这不能称为通信网，只有将许多的通信系统（传输系统）通过交换系统按一定拓扑结构组合在一起才能称之为通信。也就是说，有了交换系统才能使某一地区内任意两个终端用户相互接续，才能组成通信网。=2\*GB3②.3G网络3G是英文the3rdGeneration的缩写，指第三代移动通信技术。相对第一代模拟制式手机（1G）和第二代GSM、CDMA等数字手机，第三代手机（3G）是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。=3\*GB3③.GPRS网络这是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。通俗的讲，GPRS是一项高速数据处理的科技，方法是以“分组”的形式传送资料到用户手上。虽然GPRS是作为现有GSM网络向第三代移动通信演变的过渡技术，但是它在许多方面都具有显著的优势。=4\*GB3④.广电网络广电网通常是各地有线电视网络公司（台）负责运营的，通过HFC（光纤+同轴电缆混合网）网向用户提供宽带服务及电视服务网络，宽带可通过CableModem连接到计算机，理论到户最高速率38M，实际速度要视网络情况而定。=5\*GB3⑤.NGB广域网络中国下一代广播电视网（NGB）是以有线电视数字化和移动多媒体广播（CMMB）的成果为基础，以自主创新的“高性能带宽信息网”核心技术为支撑，构建适合我国国情的、三网融合的、有线无线相结合的、全程全网的下一代广播电视网络。核心技术之运营层：专家系统、云计算、API接口、客户管理、GIS、ERP=1\*GB3①.企业资源计划（ERP）ERP是指建立在信息技术基础上，以系统化的管理思想，为企业决策层及员工提供决策运行手段的管理平台。ERP技术属于物联网的信息处理层技术。=2\*GB3②.专家系统（ExperSystem）专家系统是一个含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和经验来处理该领域问题的智能计算机程序系统。属于信息处理层技术。=3\*GB3③.云计算云计算概念间由Google提出的，这是一个美丽的网络应用模式，是指IT基础设施的交付和使用，通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源。核心技术之应用层：垂直行业应用、系统集成、资源打包应用层主要是根据行业特点，借助互联网技术手段，开发各类的行业应用解决方案，将物联网的优势与行业的生产经营、信息化管理、组织调度结合起来，形成各类的物联网解决方案，构建智能化的行业应用。如交通行业，涉及的就是智能交通技术；电力行业采用的是智能电网技术；物流行业采用的智慧物流技术等。行业的应用还要更多涉及系统集成技术、资源打包技术等。第二节物联网四大支撑技术M2M技术M2M是物联网四大支撑技术之一。“M2M”是“Machine-to-Machine”的缩写，用来表示机器对机器之间的连接与通信。比如，机器间的自动数据交换（这里的机器也指虚拟的机器比如应用软件）从它的功能和潜在用途角度看，M2M引起了整个“物联网”的产生。（一）M2M的基本概念首先，M2M有以下三个基本特征：=1\*GB3①数据和节点（DEP）=2\*GB3②通信网络=3\*GB3③数据融合点（DIP）。DEP和DIP可以用于任何子系统集成。例如，一个完整的过程（X）到一个IT应用（Y）。图1显示了三要素之间的相互关系。这个解决方案也被称为“端对端的M2M”。（X）和应用（Y）构成了事实上的功能端点。图2.1M2M的基本概念一般而言，一个数据端点（DEP）指的是一个微型计算机系统，一个连接到程序或者是更高层次子系统的端点。另一个端点连接到通信网络。在大多数的MSM应用中，都有几个DEP。另一方面，一个典型的M2M应用只有一个数据结合点。虽说是这样，但是可以设想M2M应用有多个DIP。对于DIP没有硬性的规定。例如可以形成一个互联网服务器或特殊的软件应用在交通控制主机。M2M应用的信息流也未必是面向服务器的。相反，DIP和DIP之间的直接通信路线是被支持的，还有单个DEP之间直接和间接的联系，就像我们所熟知的P2P（Peer-to-Peer）联系一样。如上所述，M2M应用的通信网络是DEP（数据终点）和DIP（数据集成电）之间的中央连接部分。就物理部分来说，这种网络的建立可以使用局域网、无线网络、电话网络/ISDN，或者是类似的。图2.1物联网四大技术（二）基于M2M的监控基础架构如今，无数的应用程序使用复杂的网络设备，其中大多数系统履行每天24小时、每周7天、没有任何人监督的服务。个别子系统故障，整个应用程序至少是一部分将受到损害。然而，尽快检测出具体的故障仍是一个问题。图2.2基于M2M的监控基础架构图2显示了一个基于M2M的基础设施监测的解决方案。该数据终点（DEP）在每一种情况下都通过特殊的监测传感器检查基础设施组成部分的可用性。任何潜在的故障都能通过DEP被迅速监测。单独的DEP通过通信网络和监控应用软件相连接。这个应用软件用于数据集成点（DIP）。它从单独的监控基础设施的DEP接收失败、错误和故障信息（图的X、Y和Z）。除了与DEP连接之外，DIP监控软件还有另外两个接口：配置接口和通知接口。配置接口是决定谁、什么时候对系统负责。这通常使得可能设想不同的通知方案。该接口对监控行为进行明确界定。通知接口发送各种消息（SMS、电子邮件、自动发送传真，或者拨打某个电话号码和播放音频文件）。二、无线射频识别技术(RFID)技术无线射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它的工作原理如下：使用射频电磁波通过空间耦合(交变磁场或电磁场)在阅读器和进行识别、分类和跟踪的移动物品(物品上附着有RFID标签)之间实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术[3]。RFID是一种利用电磁能量实现自动识别和数据捕获技术，可以提供无人看管的自动监视与报告作业。具体的工作原理如下：当装有电子标签的物体接近微波天线时，阅读器受控发出微波查询信号。安装在物体表面的电子标签收到经微波天线发出的查询信号后，根据查询信号中的命令要求，将标签中的数据信息反射回微波天线。微波天线接收到电子标签反射回的微波合成信号后，经阅读器内部微处理器处即可将电子标签中的识别代码等信息分离出来。这些识别信息作为物体的特征数据被传送到控制计算机作进一步处理，从而完成与物体有关的信息查询、统计、管理等应用。整个识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，并且阅读器能自行判断RFID标签是否被重复读取处理。RFID技术的这些功能特性很适合流水线上产品的控制，以实现流水作业管理，得以使整个流水线管理自动化。RFID系统一般由RFID系统由阅读器、应答器(标签)和应用系统三部分组成，通过电波在响应媒介和询问媒介间传递信息[4]。阅读器，一般是一台内含天线和芯片解码器的阅读(有时还可以写入)设备，可设计为手持式或固定式；阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别体的目的。通常阅读器与电脑相连，所读取的标签信息被传送到电脑上进行下一步处理。应用系统，一般是由计算机支撑的有线或无线管理系统。视不同应用要求，对于实时型的智能型控制器，不一定必须要有后台应用系统。标签，主要是射频标签，响应端内含天线，两者组成所谓的“雷达收发机”，以卡、标签等形式存在。RFID物品识别的目标是为每一物理实体提供唯一标识。它与传统条码技术相比有以下几方面的优点：=1\*GB3①唯一标识。条码只能识别一类产品,而无法识别单品,因此条码容易伪造。RFID却可以为单品提供唯一标识。=2\*GB3②读取方便。条码是可视传播技术。即扫描仪必须“看见”条码才能读取它,这表明人们通常必须将条码对准扫描仪才有效。相反,无线电识别并不需要可视传输技术,射频标签只要在识读器的读取范围内就可以了,甚至可以穿过外包装进行识别。这大大减少了人的参与,提高了识别效率。=3\*GB3③长寿耐用。纸型条码容易破损和受到污染。而RFID电子标签可以应用于粉尘、油污等高污染环境和放射性环境。=4\*GB3④动态更改。条码信息一旦需要更改就必须重贴,而RFID电子标签中的信息可以编辑,便于更新。=5\*GB3⑤可扩展性。RFID电子标签存储的是电子数据,在需要的时候可以改变其中的编码结构,便于升级。=6\*GB3⑥RFID电子标签可以设置密码,保密性强。三、传感网技术在未来的物联网中，传感器及其组成的传感器网络将在数据采集前端发挥重要的作用。传感器是指“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的可按传感器的物理量、工作原理、输出信号的性质这三种方式来分类。此外，按照是否具有信息处理功能来分类的意义越来越重要，特别是在未来的物联网时代。按照这种分类方式，传感器可分为一般传感器和智能传感器。一般传感器采集的信息需要计算机进行处理；智能传感器带有微处理器，本身具有采集、处理、交换信息的能力，具备数据精度高、高可靠性与高稳定性、高信噪比与高的分辨力、强的自适应性、低的价格性能比等特点。RFID（Radio Frequency Identification，无线电射频识别）是一种短距离无线通信技术，依据的是电磁感应定律，通常与唯一识别码结合用于自动识别，是物联网广泛受关注的识别技术之一。最基本的RFID系统包括标签、阅读器、天线三部分。标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象，可根据是否有电源分为有源标签和无源标签。对于无源标签，阅读器（手持式或固定式）不断发出无线电波，在周围形成磁场，标签进入磁场后，接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息；对于有源标签，则可以主动发送某一频率的信号。阅读器读取信息并解码后，送至后台信息系统进行有关数据处理。在这其中，射频信号的传递是通过两方的天线完成的。具有无需接触、自动化程度高、耐用可靠、识别速度快、适应各种工作环境、可实现高速和多标签同时识别等优势，使其可用于广泛的领域，如物流和供应链管理、门禁安防系统、道路自动收费、航空行李处理、文档追踪/图书馆管理、电子支付、生产制造和装配、物品监视、汽车监控、动物身份标识等。可以这样说，RFID将是用途最广泛的自动识别技术。不过，RFID系统目前成本较高，这是它与条码等识别技术相比的显著劣势。四、两化融合两化融合是信息化和工业化的高层次的深度结合,是指以信息化带动工业化、以工业化促进信息化，走新型工业化道路；两化融合的核心就是信息化支撑，追求可持续发展模式。信息化与工业化主要在技术、产品、业务、产业四个方面进行融合。也就是说，两化融合包括技术融合、产品融合、业务融合、产业衍生四个方面。技术融合是指工业技术与信息技术的融合，产生新的技术，推动技术创新。例如，汽车制造技术和电子技术融合产生的汽车电子技术，工业和计算机控制技术融合产生的工业控制技术。产品融合是指电子信息技术或产品渗透到产品中，增加产品的技术含量。例如，普通机床加上数控系统之后就变成了数控机床，传统家电采用了智能化技术之后就变成了智能家电，普通飞机模型增加控制芯片之后就成了遥控飞机。信息技术含量的提高使产品的附加值大大提高。业务融合是指信息技术应用到企业研发设计、生产制造、经营管理、市场营销等各个环节，推动企业业务创新和管理升级。例如，计算机管理方式改变了传统手工台账，极大地提高了管理效率；信息技术应用提高了生产自动化、智能化程度，生产效率大大提高；网络营销成为一种新的市场营销方式，受众大量增加，营销成本大大降低。产业衍生是指两化融合可以催生出的新产业，形成一些新兴业态，如工业电子、工业软件、工业信息服务业。工业电子包括机械电子、汽车电子、船舶电子、航空电子等；工业软件包括工业设计软件、工业控制软件等；工业信息服务业包括工业企业B2B电子商务、工业原材料或产成品大宗交易、工业企业信息化咨询等。物联网系统结构及关键技术研究第一节物联网体系结构基础研究人类社会在相当长时间内将面临两大难题:其一是能源短缺和环境污染;其二是人口老龄化和慢性病增加,物联网首要的应用在于能耗控制和医疗护理。人类社会目前遇到的问题是:恐怖活动和信任危机,物联网目前急需的应用在于安防监控、物品身份鉴别。另外,物联网在智能交通、仓储物流、工业控制等方面都有较大的应用价值。已经公开的物联网的应用实例基本上围绕这些应用领域。一、物联网已有的体系结构在公开发表物联网应用系统的同时,很多研究人员也发表了若干个物联网的体系结构,例如物品万维网的(WebofThings,WoT)体系结构[13],它定义了一种面向应用的物联网,把万维网服务嵌入到系统中,可以采用简单的万维网服务形式使用物联网。这是一个以用户为中心的物联网体系结构,试图把互联网中成功的、面向信息获取的万维网应用结构移植到物联网上,用于简化物联网的信息发布和获取。物联网的自主体系结构[14]是为了适应于异构的物联网无线通信环境而设计的体系结构。该自主体系结构采用自主通信技术。自主通信是以自主件(selfware)为核心的通信,自主件在端到端层次以及中间结点,执行网络控制面已知的或者新出现的任务,自主件可以确保通信系统的可进化特性。物联网的自主体系结构如图3.1所示,包括了数据面、控制面、知识面和管理面,数据面主要用于数据分组的传递;控制面通过向数据面发送配置报文,优化数据面的吞吐量以及可靠性;知识面提供整个网络信息的完整视图,并且提炼成为网络系统的知识,用于指导控制面的适应性控制;管理面协调和管理数据面、控制面和知识面的交互,提供物联网的自主能力。

图3.1一种联网的自主体系结构

这里自主特征主要由STP/SP协议栈和智能层取代传统的TCP/IP协议栈,如图3.2所示,这里的STP和SP分别表示智能传送协议(SmartTransportProtocol)和智能协议(SmartProtocol),物联网结点的智能层主要用于协商交互结点之间STP/SP的选择,用于优化无线链路之上的通信和数据传送,满足异构物联网设备之间的联网的需求。

图3.2物联网自主体系结构的协议栈

这种面向物联网的自主体系结构涉及的协议栈较为复杂,只能适用于计算资源较为富裕的物联网结点。目前物流仓储的物联网应用都依赖于产品电子代码(EPC)网络[8,15],该网络如图3.3所示,主要组成部件包括:产品电子代码(EPC),这是一种全球范围内标准定义的产品数字标识;电子标签和阅读器,电子标签通常采用射频标识(RFID)技术存储EPC,阅读器是一种阅读电子标签内存储的EPC并且传递给物流仓储管理信息系统的装置;EPC中间件,这EPC网络包括3个层次:=1\*GB3①实体和内部层次,该层由EPC、RFID标签、RFID阅读器、EPC中间件组成。这里的EPC中间件实际上屏蔽了各类不同的RFID之间的信息传递技术,把物品的信息访问和存储转化成为一个开放的平台。=2\*GB3②商业伙伴之间的数据传输层,这层最重要的部分是EPC2IS,企业成员利用EPC2IS服务器处理被ALE过滤之后的信息,这类信息可以用于内部或者外部商业伙伴之间的信息交互。=3\*GB3③其他应用服务层,这层最重要的部分是ONS,ONS用于发现所需的EPC2IS的地址。EPC2global[15]委托全球著名的域名服务机构VeriSign(威瑞信)公司提供ONS全球服务,全球至少有10个数据中心提供ONS服务。

图3.3EPC网络体系结构

以上都是分别从某个具体应用的角度给出了物联网的系统结构,这类结构还无法构成一个通用的物联网系统结构。下面给出一个通用物联网体系结构。

二、建议的物联网体系结构

我们认为,物联网体系结构设计应该遵循以下5条原则:=1\*GB3①多样性原则,物联网体系结构必须根据物联网结点类型的不同,分成多种类型的体系结构;=2\*GB3②时空性原则,物联网体系结构必须能够满足物联网的时间、空间和能源方面的需求;=3\*GB3③互联性原则,物联网体系结构必须能够平滑地与互联网连接;

=4\*GB3④安全性原则,物联网体系结构必须能够防御大范围内的网络攻击;=5\*GB3⑤坚固性原则,物联网体系结构必须具备坚固性和可靠性。以下从物联网的服务类型,结点分类和互连结构3个方面讨论物联网的体系结构。（一）物联网的服务类型根据物联网自身的特征,物联网应该提供以下几类服务:=1\*GB3①联网类服务:物品标识、通信和定位;

=2\*GB3②信息类服务:信息采集、存储和查询;

=3\*GB3③操作类服务:远程配置、监测、远程操作和控制;

=4\*GB3④安全类服务:用户管理、访问控制、事件报警、入侵检测、攻击防御;

=5\*GB3⑤管理类服务:故障诊断、性能优化、系统升级、计费管理服务。

以上罗列的是通用物联网的服务类型集合,根据不同领域的物联网应用需求,以上服务类型可以进行相应的扩展或裁剪。物联网的服务类型是设计和验证物联网体系结构和物联网系统的主要依据。

（二）物联网的结点分类为了构建物联网的体系结构,首先需要划分物联网中网络结点的类型。物联网结点可以分成无源CPS结点、有源CPS结点、互联网CPS结点,其特征从以下方面进行描述:电源、移动性、感知性、存储能力、计算能力、联网能力、连接能力,具体如图3.4所示。

图3.4物联网结点类型与特征

无源CPS结点,就是具有电子标签的物品,这是物联网中数量最多的结点,例如携带电子标签的人可以成为一个无源CPS结点。无源CPS结点一般不带电源,可以具有移动性,具有被感知能力和少量的数据存储能力,不具备计算和联网能力,提供被动的T2T连接。有源CPS结点,具备感知、联网和控制能力的嵌入式系统,这是物联网的核心结点,例如装备了可以传感人体信息的穿戴式电脑的人可以成为一个有源CPS结点。有源CPS带有电源,可以具有移动性、感知、存储、计算和联网能力,提供T2T、H2T、H2H连接。

互联网CPS结点,具备联网和控制能力的计算系统,这是物联网的信息中心和控制中心,例如具有物联网安全性、可靠性要求的,能够提供时间和空间约束服务的互联网结点就是一个互联网CPS结点。互联网CPS结点不是一般的互联网的结点,它是属于物联网系统中的结点,采用了互联网的联网技术相互连接,但具有物联网系统中特有的时间和空间的控制能力,配备了物联网专用的安全性和可靠性的控制体系。互联网CPS结点具有不间断电源,不具备移动性,可以具有感知能力,具有较强的存储、计算和联网能力,可以提供H2T、H2H连接。

（三）物联网互连体系结构根据以上物联网结点的分类,可以进一步研究可能存在的连接类型,例如物联网结点之间存在无源结点与有源CPS结点,有源CPS与有源CPS结点,以及有源CPS结点与互联网CPS结点之间的连接,这些类型的连接结构构成了物联网互连的体系结构。由于物联网的异构性,我们建议的通用物联网体系结构由3部分构成:无源CPS结点与有源CPS结点互连结构,有源CPS结点与有源CPS结点互连结构,有源CPS结点与互联网结点互连结构。无源CPS结点与有源CPS结点互连结构如图3.5所示,无源CPS结点通过物理层协议与有源CPS结点连接,例如通过RFID协议,有源CPS可以获取无源CPS结点上电子标签的信息。

图.3.5无源CPS结点与有源CPS结点互联结构有源CPS结点与有源CPS结点互连结构如图5所示,有源CPS结点之间通过物理层、数据链路层和应用层的协议交互,实现有源CPS结点之间的信息采集、传递和查询。考虑到大部分有源CPS结点资源限制十分严格,有源CPS结点不适合配置已有的IP协议;配置的数据链路协议也应该是面向物联网的数据链路层协议,可以保证可靠、高效、节能地

采集、传递和查询信息,满足物联网结点交互的应用需求。

有源CPS结点之间的信息转发和汇聚可以通过应用协议实现,这样,可以按照应用需要,设计灵活的信息采集和转发的协议,不需要采用通用的、低效的互联网中的IP协议。有源CPS结点与互联网CPS结点互连结构如图6所示,有源CPS结点需要通过CPS网关,才能连接互联网结点。CPS网关实际上是一个有源CPS结点与互联网CPS结点的组合,其中实现了完整的互联网协议栈。这样,通过CPS网关,可以在应用层与互联网连接,实现物联网与互联网之间信息传递,以及物联网应用与互联网应用之间的互通、互连和互操作。这种互连结构可以允许不同类型的物联网采用满足自身需要的联网结构,简化不必要的联网功能,降低网络系统的复杂性。不同的物联网联网技术,例如汽车电子联网技术、环境监测联网技术。

在以上定义的物联网体系结构中,物联网物理层协议,提供在物理信道上采集和传递信息的功能,具有一定的安全性和可靠性控制能力;物联网数据链路层协议,提供对物理信道访问控制、复用,在链路层安全、可靠、高效传递数据的功能,具有较为完整的可靠性、安全性控制能力,可以提供服务质量的保证;应用层协议,提供信息采集、传递、查询功能,具有较为完整的用户管理、联网配置、安全管理、可靠性控制能力。

物联网关键技术研究一、网络通信技术 在物联网的机器到机器、人到机器和机器到人的信息传输中，有多种通信技术可供选择，他们主要分为有线（如DSL、PON等）和无线（如CDMA、GPRS、IEEE802.11a/b/gWLAN等）两大类技术，这些技术均已相对成熟。在物联网的实现中，格外重要的是无线传感网技术。（一）无线传感网主要技术 无线传感网(WSN)是集分布式信息采集、传输和处理技术于一体的网络信息系统，以其低成本、微型化、低功耗和灵活的组网方式、铺设方式以及适合移动目标等特点受到广泛重视。物联网正是通过遍布在各个角落和物体上的形形色色的传感器以及由它们组成的无线传感网络，来感知整个物质世界的。目前，面向物联网的传感网，主要涉及以下几项技术。 =1\*GB3①测试及网络化测控技术。综合传感器技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术等，协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理、传输。只有依靠先进的分布式测试技术与测量算法，才能满足日益提高的测试和测量需求。 =2\*GB3②智能化传感网节点技术。所谓传感网节点是指一个微型化的嵌入式系统。在感知物质世界及其变化的过程中，需要检测的对象很多，譬如温度、压力、湿度、应变等，因此需要微型化、低功耗的传感网节点来构成无线传感网的基础层支持平台。这不但需要采用MEMS加工技术，设计符合物联网要求的微型传感器，使之可识别和配接多种敏感元件，并适用于主被动各种检测方法；另外，传感网节点还应具有强抗干扰能力，以适应恶劣工作环境的需求。这里重要的是，利用传感网节点具有的局域信号处理功能，在传感网节点附近局部完成一定的信号处理，使原来由中央处理器实现的串行处理、集中决策的系统，成为一种并行的分布式信息处理系统。 =3\*GB3③传感网组织结构及底层协议。网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述。对传感网而言，其网络体系结构不同于传统的计算机网络和通信网络。对于物联网的体系结构，已经提出了多种参考模型。就传感网体系结构而言，也可以由分层的网络通信协议、传感网管理以及应用支撑技术三个部分组成。其中，分层的网络通信协议结构类似于TCP/IP协议体系结构；传感网管理技术主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感网的管理；分层协议和网络管理技术是传感网应用支撑技术的基础。 =4\*GB3④对传感网自身的检测与自组织。传感网是整个物联网的底层和信息来源，网络自身的完整性、完好性和效率等性能至关重要，因此，需要对传感网的运行状态及信号传输通畅性进行良好监测，才能实现对网络的有效控制。在实际应用当中，传感网中存在大量传感器节点，密度较高，当某一传感网节点发生故障时，网络拓扑结构有可能会发生变化，因此，设计传感网时应考虑传感网的自组织能力、自动配置能力及可扩展能力。=5\*GB3⑤传感网安全。传感网除了具有一般无线网络所面临的信息泄露、信息篡改、重放攻击、拒绝服务等多种威胁之外，还面临传感网节点容易被攻击者物理操纵，获取存储在传感网节点中的信息，从而控制部分网络的安全威胁。这显然需要通过其他的网络安全技术来提高传感网的安全性能。如在通信前进行节点与节点的身份认证；设计新的密钥协商算法，使得即使有一小部分节点被恶意控制，攻击者也不能或很难从获取的节点信息推导出其他节点的密钥信息；对传输信息加密解决窃听问题；保证网络中的传感信息只有可信实体才可以访问；采用一些跳频和扩频技术减轻网络堵塞等问题。（二）物联网的部分网络通信技术 根据目前物联网所涵盖的概念，其工作范围可以分成两大块：一块是体积小、能量低、存储容量小、运算能力弱的智能小物体的互联，即传感网；另一块是没有上述约束的智能终端的互联，如智能家电、视频监控等。对于智能小物体网络层的网络通信技术目前有两项：一是基于ZigBee联盟开发的ZigBee协议进行传感器节点或者其他智能物体的互联；另一技术是IPSO联盟所倡导的通过IP实现传感网节点或者其他智能物体的互联。 =1\*GB3①ZigBee技术。ZigBee技术是基于底层IEEE802.15.4标准，用于短距离范围、低传输数据速率的各种电子设备之间的无线通信技术，它定义了网络/安全层和应用层。ZigBee技术经过多年的发展，技术体系已相对成熟，并已形成了一定的产业规模。在标准方面，已发布ZigBee技术的第3个版本V1.2；对于芯片，已能够规模生产基于IEEE802.15.4的网络射频芯片和新一代的ZigBee射频芯片（将单片机和射频芯片整合在一起）；在应用方面，ZigBee技术已广泛应用于工业、精确农业、家庭和楼宇自动化、医学、消费和家用自动化、道路指示/安全行路等众多领域。 =2\*GB3②与IPv6相关联的技术。若将物联网建立在数据分组交换技术基础之上，则将采用数据分组网即IP网作为承载网。IPv6作为下一代IP网络协议，具有丰富的地址资源，能够支持动态路由机制，可以满足物联网对网络通信在地址、网络自组织以及扩展性方面的要求。但是，由于IPv6协议栈过于庞大复杂，不能直接应用到传感器设备中，需要对IPv6协议栈和路由机制作相应的精简，才能满足低功耗、低存储容量和低传送速率的要求。目前有多个标准组织进行相关研究，IPSO联盟于2008年10月，已发布了一种最小的IPv6协议栈IPv6。二、数据融合与智能技术 物联网是由大量传感网节点构成的，在信息感知的过程中，采用各个节点单独传输数据到汇聚节点的方法是不可行的。因为网络存在大量冗余信息，会浪费大量的通信带宽和宝贵的能量资源。此外，还会降低信息的收集效率，影响信息采集的及时性，所以需要采用数据融合与智能技术进行处理。（一）分布式数据融合 所谓数据融合是指将多种数据或信息进行处理，组合出高效且符合用户需求的数据的过程。在传感网应用中，多数情况只关心监测结果，并不需要收集大量原始数据，数据融合是处理该类问题的有效手段。例如，借助数据稀疏性理论在图像处理中的应用，可将其引入传感网用于数据压缩，以改善数据融合效果。 分布式数据融合技术需要人工智能理论的支撑，包括智能信息获取的形式化方法、海量信息处理的理论和方法、网络环境下信息的开发与利用方法，以及计算机基础理论。同时，还需掌握智能信号处理技术，如信息特征识别和数据融合、物理信号处理与识别等。（二）海量信息智能分析与控制 海量信息智能分析与控制是指依托先进的软件工程技术，对物联网的各种信息进行海量存储与快速处理，并将处理结果实时反馈给物联网的各种"控制"部件。智能技术是为了有效地达到某种预期的目的，利用知识分析后所采用的各种方法和手段。通过在物体中植入智能系统，可以使得物体具备一定的智能性，能够主动或被动的实现与用户的沟通，这也是物联网的关键技术之一。智能分析与控制技术主要包括人工智能理论、先进的人-机交互技术、智能控制技术与系统等。物联网的实质是给物体赋予智能，以实现人与物体的交互对话，甚至实现物体与物体之间的交互或对话。为了实现这样的智能性，例如，控制智能服务机器人完成既定任务包括运动轨迹控制、准确的定位及目标跟踪等，需要智能化的控制技术与系统。物联网未来发展物联网发展面临的挑战一、基础研究方面的挑战美国加州大学伯克利分校EdwardA.Lee教授在分析了当今计算和联网方式与物理处理过程,提出了两者的差异:物理系统中的部件在安全性和可靠性方面的需求与通用计算部件存在质的差异;物理部件与面向对象的软件部件也存在质的差异,计算和联网技术采用的基于方法调用和线程的标准抽象体系在物理系统中无法工作。由此,Lee教授提出这样的疑问:今天的计算和联网技术是否能够为开发CPS系统提供足够的基础?其研究结论是:必须再造计算和网络的抽象体系,以便统一物理系统的动态性和计算的离散性。如何再造计算和网络的抽象体系,这是物联网基础研究的核心内容,包括如何在编程语言中增加时序,如何重新定义操作系统和编程语言的接口,如何重新思考硬件与软件的划分,如何在互联网中增加时序,如何计算系统的可预测性和可靠性等。二、技术开发方面的挑战物联网技术开发中,面临诸多的技术开发方面的挑战。物联网是嵌入式系统、联网和控制系统的集成,它由计算系统、包含传感器和执行器的嵌入式系统等异构